基于PLC伺服电机的精确定位系统应用研究

基于PLC伺服电机的精确定位系统应用研究
摘要：在PLC伺服发电机传统的零点定位中，往往会出现计算的偏差以及定位的准确度失灵，因此需要采用合理方法提升其定位精度。

本文针对于实际应用中对于伺服电机的对于平面具体坐标的准确把握监控，研究了利用PLC为主导的辅助伺服电机的平面运动控制，在成本上尽可能地削减，提高定位的精度以及实现了低速渐变的控制。

通过视觉检测的特征分析直接对仪器进行校正，不仅在控制的便利性上大大提高，而且也对精度进行了极大的提高，从而全面的推动了伺服发电机的精确定位系统的进一步延伸与发展。

关键词：PLC;精确定位系统；视觉检测；伺服电机
1 引言
在一些精密机械工业的生产中，精确性是影响产品质量和产量的主要因素，尤其是在机械表，仪表等大量使用细小精密的零件的加工行业中，如何对细小零件的组装位置进行入微细致的检测始终是一个较大的难题。

为了实现精密工业的产量提高，在精密机械的生产环节中引入自动检测环节成了研究的主要着力点，在这之中引入了基于PLC的伺服电机精确定位系统来实现这一主要功能。

华南理工大学的阮安正教授在《浅析工业基于PLC的伺服电机定位运动》一文中对与当前国内外的PLC伺服电机定位系统进行了简要的分析，在近些年国家的大力号召下，制造业进行了全面的产业升级，机器逐渐代替过去的人力在工业中扮演着重要的作用，广泛地应用于电机和其他动力系统的控制。

而在国际上的一些学术期刊中则是大多对于松下，三菱，西门子几家公司所生产的PLC为主要的实验对象，重点对于基于PLC的伺服电机精确定位系统对于精度，成本，效率等标准研究进行了深入的研究，而在结构上较为墨守成规【2】。

外对于钢坯标识系统的开发研究进行的比较早，技术比较先进，产品比较成熟，设备自动化的程度也比较高。

目前在钢坯标识领域占有绝对优势的企奥地利的NUMTEC公司早在2004年推出了可以进行定位的伺服发电机，它作为一个单体标识设备，操作较为简单，只需要在液晶控制面板上设置相应的参数即可工作，缩短了工程人员现场调试时间，节省了大量的人力物力【3】
本文采用了PLC为主导辅助伺服电机来实现一种精确定位系统可用于精密工业，实现在低速的环境下对于精度的精确控制的低成本平面运动工作台的可行性研究和设计，在精度的要求上以微米级为主要的实现目标。

在具体的研制过程中引入了视觉检测技术，使用了具有高精度的CDD相机来完成对于精密零件的视觉采集，通过事先设置的多个参考点定位特
征点来进行检测修正，实现检测环节的自动化设计[3]。

2 研究方法
2.1 系统结构设计
检测系统的具体结构由图1所示。

在系统的主要控制位置上采用的是计算机来进行系统和用户之间的主要交互接口，完成系统对用户命令的理解和用户对系统状态的了解。

PLC在系统中完成对运动系统的主要控制，主要是对其下两个伺服电机进行逻辑控制。

在检测时，将待测的零件置于载物台上的60个矩阵孔中。

开始测量时，伺服电机在PLC的控制下驱动工作台进行平面上的二维移动，其上的CDD照相机就能在电机的带动下对载物台上的每个零件进行定位[4]，一旦定位，就会完成相机对每个零件进行图像的采集，并将采集到的图像发送给PC端进行图像的处理工作，由PC程序判断零件是否符合要求，并完成对PLC下一步运动命令的指示。

在对每个零件进行定位时候要求工作台对于零件做到精确定位的要求，相机的焦点中心和矩阵孔的中心小孔在X,Y两个维度上的偏差不能超过±50um，一旦偏差过大，工作台会自动对相机的位置进行校正。

对于矩阵孔和载物台的硬件误差要求上都不得超过15um，因此工作台的零点自动校正的误差加上其自身的定位精度的误差不能超过20um。

Fig. 1 mechanism diagram of inspection system
2.2 工作台驱动系统设计与研究
工作台使用的丝杆为5mm导程无间隙型精密丝杆，滚动轴承采用P5精度级别。

控制运动的PLC采用西门子生产的S7-200系列，CPU选用的是224CN型号。

伺服电机驱动器采用的是松下制造的M NAS A4系列，而伺服电机本身的选用采用同公司生产的
MSMD012PIU型号伺服电机[5]。

整个驱动系统包括控制电路的硬件连接，PLC控制程序的逻辑设计，PLC与PC之间通讯设计，驱动器各项参数调整。

是整个精度控制系统的核心环节，主要为PLC接收从PC出传送来的运动指令，并在自身控制程序的运行下驱动电机将相机精确地移动到相应的X,Y坐标上，实现零件的精确定位功能。

2.3 硬件的连接
在使用时，使用PLC中的高速脉冲输出功能，配合伺服电机的中的位置控制模式来完成精确定位系统的具体实现。

工作台上采用两个伺服电机来完成X，Y方向上的移动功能，每个伺服电机都配备电机驱动器用于完成PLC对其的驱动和控制[6]。

PLC的I/O口与电机驱动器关于控制的I/O端口之间进行连接，具体端口列表如表1所示：
Table 1 drive port table
驱动器的PLUS端口连接到PLC的Q0.0和Q0.1端口用于PLC对伺服电机的控制脉冲指令的发出。

驱动器的CWL和CCWL端口以及PLC的输入口分别接到工作台两轴的两个限位开关上，使得工作台的启动和关闭具有保险和复位的功能。

PLC的全部I/O端口包含有8个输出端口和10个输入端口，其中两个电机驱动器分别使用9个端口，PLC多出来的端口用于其他模块的控制和交流[7]。

3 讨论与分析
3.1 PLC程序设计
PLC的主要程序为测量控制模块，其中还还包括在单件零件测量上出现误差之后的自动校正程序以及用于与PC之间进行主从机通讯的通讯程序。

以及检测仪的两种不同的工作模式。

驱动器的输入输入端可以接收有PLC发送来的脉冲指令，实现PLC对电机驱动模块的控制信息传送，还能接收编码器发回的波形模拟信号的反馈信息。

CPU224CN型的PLC具有自主的输出PTO以及PWN信号的功能，通过Q0.0以及Q0.1两个端口可以输出最高频率为20kHz的信号，并且不会受到CPU的不同工作方式的限制。

这一功能在对于各种电机的调速实用中得到了广泛的使用，对于直流和交流电机的调压中也有不少的应用。

PLC脉冲输出使用的寄存器包括SMB67和SMB77，脉冲参数的设置使用了SMW68~SMD172以及SMW78~SMD172来完成[8]。

对于脉冲状态则是使用了SMB66和SMB76来进行脉冲状态的反应起到了对脉冲输出的检测作用。

其中脉冲具有两种输出模式：单段式和多段式。

多段式的脉冲指令为PLS，当CPU读取到相应的多段式指令时，就会自动地寻址到多段式的存储区中的参数，将参数送入CPU，多段式存储区利用PLC的V存储区来担任[9]。

PLC的Q0.0和Q0.1口分别用于对两个相交方向上的电机的驱动器进行控制，对电机驱动器输出PTO脉冲，使用的工作频率一般采用20kHz、三段式脉冲，使得工作台能够正常稳定地运作。

PLC控制流程图如图2所示：
Fig. 2 PLC control flow chart
3.2PLC与PC的主从机通讯
在具体的控制程序设计中，为了使得系统的功能更加具有灵活性和可拓展性，同时尽量避免系统的复杂化以及使用复杂控制单元而引起的高成本的后果，使用了自由通讯的主从机通讯方式，将误差判断和控制运动的功能分别给予PC和PLC两个逻辑单元去完成。

PC端口通过调用串口通信函数WN 32 API来实现串口通信的功能，主要使用了较为基础同时也功能完善的C++语言进行编写，更便于适应基层的硬件结构，该函数能较好地完成PC机与PLC之间的连接工作，实现主从机通讯。

在机间通讯采用了数据帧形式进行信息的传递，并且采用了能极大程度避免数据帧出错的CRC循环校验法[10]，通过在数据帧的尾部加上一段适合长度的冗余校验码，就能避免接收端收下出错的数据帧，这种方法可以达到99.999%程度上的错误规避。

同时在发生错误帧时设置一个错误重发机制，尽量减少数据帧的丢失。

通讯程序如图3所示；
Fig. 3 PLC and PC communication program structure
3.3 驱动器设置
驱动器采用了外部脉冲输入的方式进行信息的传入，实验中采用的MINA-S-A系列伺服电机驱动器是松下公司生产，能接收高达2Mpp外部脉冲输入，分为4种工作模式，分别针对于速度、位置、转矩以及全封闭环境进行控制。

在本次实验中主要采用了其对位置进行精确控制的功能来完成对于精确定位系统设计的研究。

表2是位置控制模式下各类参数的设置：
Table 2 parameter settings for position control mode
当外部输入的外部脉冲达到10000个时，电机内部就完成了一圈的运动，与此同时，电机带动工作台上的电动轴完成了0.5um的位移量。

因此可以通过对输入脉冲的精确控制从而实现对工作台上运动的精确控制。

3.4 零点校正方法设计
当测量过程中，发现了检测仪上相机的焦点中心与矩阵孔的孔心之间的偏差在二维平面上均没有超过了50um则判断改点的位置合格没有出现偏差。

零点校正原理如图3所示：
Fig. 3 principle of zero correction
一个载物台的矩阵类一次可以检测60个零件，O点位置为工作台上的传感器开关位置，因此A点即为检测定位的起点位置。

如果没有进行事先的零点校正，由于每次批量检测都会累积一些细微的误差，一旦每次误差得不到及时的纠正就会在最终影响到总误差的要求，而O点限位开关的精度只能达到0.1mm，不能为工作台的复位点提供参考值。

为了保证每次测量前都能事先纠正上次测量留下来的细小偏差，在每次检测前都由工作台带动检测仪上CCD相机对载物台的60个零件进行快速的扫描，从而进行预先的误差校正处理。

如图3零点校正原理图所示，B点处于待测矩阵列之外，用于对圆孔中心的位置进行参考值得提供，每次测量时，CCD相机先在待测零件上方一次停留，用焦点中心模拟零件中心位置，同时将图像以及B点的参数一起传送给PC端进行误差的判定，PC端运行判断程序后将运动的控制指令返回给PLC，由PLC继续发送指令驱动给电机驱动器去驱动电机在B点到待测零件段进行误差的调整。

调整完毕后相机回到O点继续下一批零件的测量调整。

当圆心满足偏差值小于0.1mm同时在PC端的图像处理时圆心的拟合误差为30um时，驱动器也能产生一个相当于0.5um的脉冲输入，从而不受到电机的最小启动电压的影响驱动电机进行误差的调整，实现了将定位精度以及调整精度延展到微米级以下的精度值设计。

3.5实验数据分析
在实验中，为了证明工作台的精度调整确实达到了实验预先期望的精度水平，在实验中采用了分辨率为0.1um的双频激光测量仪来记录工作台每次移动的精度范围。

工作台的运动轴的运动范围能为0~100mm，在实验中，选取电机所在一侧为测量起点，记录为零点，当PLC 输出40 000个脉冲时，即工作台运动了20mm，激光测量仪就对运动轴位置进行一次采样记录，先进行正方向递增测量，采样0，20,40,60,80,100mm6个标本，再反方向递减测量采样同样数值的6个标本，一个采样10个来回共60个采样点数据，记录在PLC处理之后的运动轴误差补偿之后的X值数据，结果如表3所示：
Table 3 experimental data of moving axle
从表中的实验数据可以分析工作台的定位精确度，设工作台的定位精确度为A ，则有以下式：
A =max ⁡[Xi +2Si]（1）
其中A 为定位精确度Xi 为测量中X 轴的变化值。

Si 为实验定位精度的变化值。

其中一趟的实验定位精度为S ，有如下式子：
um R S S i i 9.4)()4(max max ===（2）
在同样的实验条件下对Y 轴进行相同实验分析可得，Y 轴的A 值为7.2um ，S 值为5.5um ，综合实验的最初设想来看，工作台符合了将精度压缩在10um 范围内的目标。

4 结论
本设计中对于在低速环境下，具有高精确度，低成本的基于PLC 的伺服电机精确定位系统通过实验数据的论证和完备的设计过程，基本上满足了实验初期的设计要求。

并且在相关的定位过程中引入了视觉检测技术，利用CCD 相机的图像采集能力以及PC 端对图像进行深度处理的功能，能够对零件的偏差条件有一个初步的判定，从而实现了独特的零点自动校正原理，来实现预先对于待测零件的零点校正，使零件在移动的过程中能事先对误差进行修正。

目前伺服发电机在各行业中都已经开始了较为广泛的应用，而与此同时有关于伺服发电机的精准定位系统的研究也慢慢的提上了日程，在这一研究过程中，只有充分调动伺服发电机的
定位准确度，才可以全方位的提升伺服发电机的工作效率以及工作能力，在此次的研究中，我们将伺服发电机与计算机技术实现了再度的融合，更好地利用计算机技术推动伺服发电机的定位精确性提升，这种将PC的图像判断功能和PLC的运动控制分开的精确定位处理系统在未来的工业自动化制造和精密仪器制造行业将大有可为。

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